【綜述】污水生化處理工藝發(fā)展階段化技術(shù)特征及未來趨勢 注他
以下文章來源于給水排水 ，作者劉智曉、吳凡松
摘要
百余年來，伴隨人類社會和科技日新月異，污水生化處理技術(shù)也在實現(xiàn)快速發(fā)展與不斷迭代，新工藝與新反應(yīng)器、新功能微生物與新生化代謝途徑不斷被提出、發(fā)現(xiàn)和解析，并進一步推動了污水處理技術(shù)的進步與升級�；仡櫫诉^去百余年污水生化處理技術(shù)發(fā)展歷程，就典型污水生化工藝，結(jié)合技術(shù)研發(fā)進展、技術(shù)成熟度及案例應(yīng)用情況，給出了不同生化處理工藝代際劃分與技術(shù)發(fā)展期“S曲線”，分析了近些年來新涌現(xiàn)出的一些革新性污水生化處理工藝的技術(shù)原理、技術(shù)特征，結(jié)合實際案例分析了工藝技術(shù)特征、技術(shù)優(yōu)勢與總體效能，從工藝強化、綠色低碳與集約高效等方面總結(jié)了未來污水處理發(fā)展的技術(shù)趨勢，以期為“雙碳背景”下排水系統(tǒng)提質(zhì)增效工作、未來國內(nèi)前瞻性污水廠工藝設(shè)計與運行提供參考和借鑒。
[引用本文]劉智曉，吳凡松. 污水生化處理工藝發(fā)展階段化技術(shù)特征及未來趨勢［J］. 給水排水，2024，50（4）：12-22.
0 引言
活性污泥工藝自1914年誕生以來，百余年生命史，活性污泥處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大改善了百年來的人類生存和居住環(huán)境。近些年來，分子微生物學(xué)手段及相關(guān)檢測分析方法的快速發(fā)展、借助不同水動力學(xué)特性反應(yīng)器構(gòu)型開發(fā)的加持，通過對“新功能微生物-微生境優(yōu)化-反應(yīng)器水動力學(xué)控制”不同維度的協(xié)同和優(yōu)化改進，污水處理新規(guī)律、新路線及新工藝不斷被提出、改進和提升，時至今日，污水生物處理技術(shù)發(fā)展依然異彩紛呈。
從污水處理技術(shù)發(fā)展史角度，污水處理技術(shù)的突破與發(fā)展起初往往是始于特殊現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，很多情況，是實踐先于“理論”解析，從最初的現(xiàn)象描述到新機理的揭示再到動力學(xué)和生化代謝模型的建立，進而逐漸形成比較完整的技術(shù)理論體系；新的理論體系完善后又進一步促進了對原有技術(shù)的變革在科學(xué)研究及工程實踐中不斷完善和優(yōu)化前續(xù)成果，實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的反復(fù)迭代過程。一方面回顧和總結(jié)污水處理工藝在不同歷史發(fā)展階段的技術(shù)特征及代表性工藝，另一方面通過分析、評估近些年來一些革新性污水生化處理工藝開發(fā)過程、基本技術(shù)路徑及未來技術(shù)改進與提升空間，結(jié)合中國應(yīng)用場景，有助于指導(dǎo)未來污水處理革新工藝開發(fā)與創(chuàng)新性成果的快速工程化應(yīng)用。
1 污水生化處理工藝技術(shù)發(fā)展基本歷程
回顧污水處理工藝技術(shù)的百余年發(fā)展歷史，隨著對環(huán)境問題的認知轉(zhuǎn)變，污水處理也逐漸實現(xiàn)了從最初的城鎮(zhèn)衛(wèi)生工程向環(huán)境工程及環(huán)境水質(zhì)學(xué)方向的轉(zhuǎn)變�？傮w可大致劃分為四個階段：活性污泥工藝誕生之前采用土壤過濾或滴濾池工藝階段、活性污泥發(fā)展初期以耗氧有機物為去除目標(biāo)階段、延續(xù)至今的污水生物除磷脫氮技術(shù)快速發(fā)展各種經(jīng)典活性污泥工藝百花齊放階段，以及近十年來以綠色低碳、高效集約為基本特征的革新性污水生化處理工藝持續(xù)開發(fā)與應(yīng)用階段，不同技術(shù)發(fā)展階段標(biāo)志性處理工藝發(fā)明或提出，及國內(nèi)外污水處理一些重要里程碑式事件按時間軸展示于圖1。
尤其是從20世紀60、70年代以來，伴隨城市水體及受納河湖水質(zhì)富營養(yǎng)化加重趨勢，污染物去除逐漸由有機污染去除向脫氨除磷過程方向發(fā)展，即：BOD去除→BNR→EBNR→LOT標(biāo)準（N、P的極限去除）。這期間反應(yīng)器動力學(xué)發(fā)展、分子衛(wèi)生學(xué)對微生物種群結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)進一步促進了高效功能菌群或新生化代謝途徑的強化，不同類型生化工藝的快速發(fā)展與技術(shù)迭代。LUDZACK等人1962年首次提出了前置反硝化工藝，1975 年FUHS和CHEN正式系統(tǒng)性提出聚磷菌PAO 的厭氧釋磷好氧過度攝取磷酸鹽生物機制，也是在同一年，JAMES BARNARD提出Bardenpho工藝，美國SPECTER獲得AO及AAO工藝發(fā)明專利，1976 年JAMES BARNARD正式推出Phoredox 工藝的不同工藝類型組合，1980 年UCT 工藝構(gòu)型被提出，這一系列的生物除磷事件成為污水處理技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。1986年國內(nèi)首座AAO廣州大坦沙污水廠投入運行，2007年無錫蘆村國內(nèi)首座MBBR/IFAS工藝投運，
2013年國內(nèi)第一污水廠側(cè)流活性污泥發(fā)酵強化脫氮除磷運行，西安第四污水廠主流厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及隨后對厭氧氨氧化菌(Anammox)脫氮貢獻度解析，這些都是中國污水生物處理脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的標(biāo)志性事件。尤其是近20~30年來，如Anammox、反硝化聚磷菌（DPAOs）等新功能微生物新生化代謝途徑被發(fā)現(xiàn)、解析，通過對這些功能微生物生境因子、生態(tài)位的洞悉并結(jié)合現(xiàn)代控制手段實現(xiàn)或逼近其最近生存環(huán)境工況，輔以“ABAC”控制、“AvN”等高級曝氣控制策略，進一步強化了這些功能菌群在工程尺度上的工程化應(yīng)用。
2 污水生化處理技術(shù)代際發(fā)展與“S曲線”
縱觀污水處理基本發(fā)展歷程，不難看出，污水處理技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)驅(qū)動力是源于人類對當(dāng)時環(huán)境衛(wèi)生條件及水環(huán)境改善的方向性需求，任何一種污水處理的技術(shù)改進和突破無一不是對污水處理過程中偶然發(fā)現(xiàn)的特殊現(xiàn)象背后技術(shù)原理不斷揭示和技術(shù)持續(xù)迭代過程，不同構(gòu)型工藝的開發(fā)與迭代則是契合于當(dāng)時的水質(zhì)改善需求及具體水質(zhì)目標(biāo)。
2.1 技術(shù)發(fā)展與工藝組合矩陣
近20~30年來，革新性污水生化處理工藝快速發(fā)展，新現(xiàn)象、新機理、新的微生物及生化代謝途徑被不斷揭示和發(fā)現(xiàn)，新的微生物附著方式和反應(yīng)器形式及構(gòu)型被開發(fā)、示范與大規(guī)模工程應(yīng)用。筆者總結(jié)國內(nèi)外研究文獻，根據(jù)已有的研究成果，梳理出一些革新性處理工藝與低碳依賴性生化代謝過程耦合，形成多種工藝技術(shù)組合矩陣，見表1。
由表1可以看出，這些矩陣組合引領(lǐng)了當(dāng)下和未來相當(dāng)長的時期內(nèi)污水生物處理技術(shù)變革，表中列出的一些具有低碳特征的生化反應(yīng)代謝過程與不同形式反應(yīng)器耦合，在這種交織與聚合過程中，一些新現(xiàn)象、新機理又相繼被發(fā)現(xiàn)和揭示，進而又推動和催生了工藝技術(shù)革新和不斷迭代。如MBBR/IFAS、側(cè)流硝化菌富集工藝(ARP、CaRRB、AT-3)、側(cè)流活性污泥發(fā)酵（SSH、S2EBPR）對傳統(tǒng)工藝性能的強化與提升；近十年以來，短程硝化耦合厭氧氨氧化（PNA）、短程反硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox,PdNA）在國內(nèi)外一些MBBR/IFAS項目中的實現(xiàn)、優(yōu)化與后續(xù)技術(shù)迭代；膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)與致密活性污泥工藝（DAS）的耦合、EBPR與PdNA/PNA及內(nèi)源反硝化（ED）在不同構(gòu)型活性污泥工藝中的耦合與強化等成為研究熱點。令人欣喜的是，近五年來，國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新工藝、新技術(shù)，如連續(xù)流好氧顆粒污泥，活性污泥發(fā)酵強化除磷脫氮，硫自養(yǎng)反硝化濾池，“AOA”等工藝取得突破，并實現(xiàn)工程化應(yīng)用，革新工藝與傳統(tǒng)工藝并行在國內(nèi)污水處理領(lǐng)域各展風(fēng)采。
2.2 不同生化處理工藝“S曲線”
1966 年哈佛教授RAYMOND V提出技術(shù)生命周期概念和理論。技術(shù)在不同的生命周期階段呈現(xiàn)出多樣性的發(fā)展特征，從而展現(xiàn)出不同的技術(shù)生命周期。針對技術(shù)生命周期階段的劃分，概括起來主要有四階段論、五階段論與六階段論。本文借鑒上述理論，以“S”曲線來表征一項技術(shù)的發(fā)展全生命周期和歷程，大致可以分為研究和試驗階段（包括小試、中試）、示范、第一代、第二代、第三代及成熟技術(shù)。從污水生化處理技術(shù)而言，一般意義上來說，一項技術(shù)前期完成了完整的小試、中試以及生產(chǎn)性試驗研究，完成示范工程應(yīng)用，經(jīng)過總結(jié)與完善，形成第一代污水處理工藝，已經(jīng)具備了可復(fù)制、可推廣的基本特征。結(jié)合不同的生化處理工藝技術(shù)特征、技術(shù)就緒度及應(yīng)用案例數(shù)量等方面，進行相對的一個不同代際的初步劃分，形成不同技術(shù)成熟度及代際定義的“S曲線”，見圖2。
需要進一步說明的是，本次技術(shù)評估與代際表征主要是針對污水處理主流處理技術(shù)，以及筆者篩選的認為未來具有成長性、應(yīng)用前景的，尤其是對近5年來國內(nèi)外熱點研究方向及革新性技術(shù)的掃描。對技術(shù)生命周期的判斷也是相對的，因為每一項技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都不是靜態(tài)的，尤其是一些革新性技術(shù)，近些年來呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，不同生化過程與反應(yīng)器形式的耦合衍生了一些研究熱點。
此外，即便成熟期的技術(shù)，也并不意味著未來沒有進一步發(fā)展和應(yīng)用前景，如果這些工藝結(jié)合對功能菌群生境因子、微觀環(huán)境的新調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用以及生化代謝途徑新認識與利用，傳統(tǒng)工藝依然能煥發(fā)生命力，如氧化溝嘗試采用低DO曝氣（DO控制0.3~0.7mg/L）、或采用ON/OFF曝氣控制耦合污泥發(fā)酵技術(shù)，通過SND及PHA驅(qū)動型內(nèi)源反硝化等技術(shù)路徑可以穩(wěn)定實現(xiàn)TN≤5mg/L的目標(biāo)。
3 生物處理工藝發(fā)展特征與趨勢
3.1 功能強化：特異菌種及生境強化
3.1.1 側(cè)流富集AOB補充主流
活性污泥工藝通過傳統(tǒng)硝化-反硝化路徑實現(xiàn)高效的脫氮過程，為了實現(xiàn)設(shè)計低水溫下的硝化性能，生化單元往往需要較長的SRT滿足硝化菌的增殖與持留，但長SRT的代價會增加主生物池（曝氣池）池容進而增大了工程土建投資。具體實施工藝和實施方式是將部分回流污泥回流至側(cè)流生化反應(yīng)池，同時將富含氨氮的污泥厭氧消化液引入側(cè)流池，作為硝化菌生長基質(zhì)，這樣在側(cè)流工藝可以富集高濃度硝化菌（圖3），側(cè)流反應(yīng)池出流到主生化池，由于側(cè)流工藝源源不斷的硝化菌的補充，這樣可以大幅減少主生化硝化對好氧SRT的要求。比較成熟的硝化菌側(cè)流富集工藝有ARP®、CaRRB®、AT3®、BABE®等。
3.1.2 活性污泥發(fā)酵
進水碳源特征是生化工藝技術(shù)路線選擇的設(shè)計基礎(chǔ)，碳源匱乏是制約傳統(tǒng)脫氮除磷工藝運行效果的重要因素。進水C/N比、VFAs/P比低是中國大部分城市污水廠進水水質(zhì)基本特征，傳統(tǒng)活性污泥除磷脫氮效果受進水SCOD尤其是VFAs濃度直接影響，傳統(tǒng)工藝構(gòu)型設(shè)計在國內(nèi)大部分區(qū)域并不適用或者不是經(jīng)濟選擇，國內(nèi)較高的N、P排放標(biāo)準需要投加大量的化學(xué)除磷藥劑和反硝化碳源，導(dǎo)致污水處理全過程高碳排放。
活性污泥發(fā)酵工藝對進水碳源有較低程度的依賴性，比較適合低C/N污水，與傳統(tǒng)工藝構(gòu)型區(qū)別見圖4�；钚晕勰喟l(fā)酵可以在生化池原位實現(xiàn)，即采用混合液在線發(fā)酵，也可回流一部分活性污泥至單獨的側(cè)流污泥發(fā)酵單元，污泥發(fā)酵優(yōu)勢是容易實現(xiàn)深度厭氧環(huán)境，即污泥發(fā)酵池容易實現(xiàn)ORP≤-250mV，深度厭氧條件下PAOs種群更加豐富，可促進發(fā)酵類PAOs及反硝化聚磷菌DPAOs的增殖并占優(yōu)勢，如Tetrasphaera譜系相關(guān)菌屬，發(fā)酵類PAOs不受進水VFAs濃度影響，可直接利用葡萄糖和氨基酸等大分子有機物進行釋磷；同時，發(fā)酵類PAOs能與傳統(tǒng)聚磷菌Accμmulibacter實現(xiàn)共生協(xié)同，因此，活性污泥發(fā)酵工藝更適合中國大部分城鎮(zhèn)污水碳源不足的情況。
側(cè)流活性污泥發(fā)酵工藝在歐美快速發(fā)展，近些年筆者在國內(nèi)也開展了針對國內(nèi)低C/P、C/N比污水的相關(guān)工程化應(yīng)用，截至目前，國內(nèi)運行中的側(cè)流項目大概有15座，已運行的案例證明側(cè)流RAS水解發(fā)酵技術(shù)可實現(xiàn)低C/N比污水的強化生物除磷脫氮，大大降低了外加碳源及化學(xué)除磷藥劑的投加量，同時改善了出水N、P指標(biāo)。
3.1.3 IFAS/MBBR自養(yǎng)脫氮
投加懸浮載體形成的傳統(tǒng)IFAS工藝構(gòu)型，經(jīng)過幾十年發(fā)展，國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用成熟，已經(jīng)成為公用、公知技術(shù)。國內(nèi)多年來一直用“MBBR”泛稱，IFAS工藝在無錫蘆村污水廠自2007年提標(biāo)改造項目第一次大規(guī)模應(yīng)用以來，國內(nèi)已有十余年的成功應(yīng)用，為提標(biāo)改造場地或現(xiàn)有池容受限、冬季低水溫強化硝化提供了系統(tǒng)解決方案。
近些年來，IFAS在國內(nèi)得到新發(fā)展，在活性污泥工藝的厭氧、缺氧區(qū)投加填料，是提升生化工藝脫氮效率新嘗試，國內(nèi)有多座市政污水廠運行,在缺氧區(qū)投加懸浮載體形成的部分主流厭氧氨氧化現(xiàn)象在國內(nèi)多座污水廠被發(fā)現(xiàn)，載體表面生物膜微生物菌群結(jié)構(gòu)的微觀解析發(fā)現(xiàn)，Anammox具有較高的豐度，通過生物膜Anammox過程為生化段可提供大概20%~30%的總脫氮貢獻;與此同時，生物膜脫氮過程新的生化代謝機理被進一步揭示，基于生物膜載體為基礎(chǔ)的Anammox脫氮過程兩種工藝路線，即短程硝化-厭氧氨氧化（Partial Nitritation-Anammox, PNA）、短程反硝化-厭氧氨氧化工藝路線（Partial denitrification-Anammox, PdNA）工藝被研究和提出，即“AM-AAO”工藝構(gòu)型、PdNA-MBBR或PdNA-IFAS，這些技術(shù)路線在國內(nèi)外一些項目被研究、應(yīng)用和示范-。PN-A工藝主要優(yōu)勢是無需外加碳源，理論上節(jié)省60%曝氣能耗，但影響工藝運行穩(wěn)定性的主要因素在于短程硝化的過程控制，即亞硝酸鹽的穩(wěn)定產(chǎn)生過程，其在主流城市污水處理中難以長期維持穩(wěn)定的關(guān)鍵問題仍有待解決；而PdNA工藝，通過反硝化途徑產(chǎn)生NO2-，受有機底物類型影響小，相對PNA，PdNA提供了另一種穩(wěn)定產(chǎn)生NO2-的技術(shù)途徑，利用原污水中碳源（或投加一部分商業(yè)碳源）在缺氧條件下將NO3-還原為NO2-，為Anammox 菌活性維持和有效富集提供必需底物，兩種技術(shù)路線比較見圖5。
將PdNA集成到主流工藝有三種實現(xiàn)方式：即前置缺氧區(qū)、后置缺氧區(qū)或三級深度處理段：
(1)前置缺氧PdNA-IFAS：國內(nèi)如西安第四污水廠觀察到主流PdNA現(xiàn)象，主要是在活性污泥工藝的缺氧區(qū)投加懸浮載體方式，回流硝化液通過利用進水碳源進行短程反硝化獲取亞硝酸鹽氮。
(2)后置PdNA-IFAS區(qū)：典型案例是“HRSD”管轄下的James River污水處理廠（JRTP），他們是將懸浮載體IFAS或固定載體裝填在五段式生物池第二級缺氧段，2022年6月啟動了PdNA的生產(chǎn)性試驗研究，通過投加少量碳源實現(xiàn)了亞硝酸鹽的原位制取，在第二級缺氧區(qū)實現(xiàn)了PdNA，PdNA-IFAS區(qū)域?qū)崿F(xiàn)TIN去除負荷率達到0.6g/(m2·d)，這為實現(xiàn)主流PdNA提供了另一種解決方案，比較適合對存量污水廠的提質(zhì)增效，尤其是碳源和能耗的節(jié)省及對處理能力的提升。
(3)深度處理段PdNA (Polishing PdNA)：與深床反硝化濾池DNF或純膜MBBR結(jié)合就可實現(xiàn)，控制點是根據(jù)出水TIN要求控制二級生化BNR段出水NH3-N/NOx-N比（即“AvN”控制）在一個合理設(shè)定值范圍，是影響深度處理段PdNA效率高低的關(guān)鍵影響因子；此外，碳源選擇對于PdNA效率有一定影響，研究表明，甘油比甲醇在PdNA效率方面更有優(yōu)勢，PdNA效率可達(88±13)%，甲醇為(66±11)%；但是去除單位硝態(tài)氮乙酸鹽消耗量最低，去除1g硝態(tài)氮消耗乙酸鹽2.02±0.71g（COD表示），顯然PdNA路徑比傳統(tǒng)硝化反硝化過程還是至少節(jié)約了50%以上的碳源。
3.2 綠色低碳：低曝氣能耗低碳依賴型工藝
3.2.1 低DO運行
傳統(tǒng)脫氮除磷生化過程高曝氣能耗及反硝化碳源高消耗是傳統(tǒng)活性污泥頗受詬病的原因。過高的曝氣量不僅浪費能量，同時削弱了生化工藝脫氮除磷能力。近些年來，基于傳統(tǒng)工藝構(gòu)型下如何實現(xiàn)低DO曝氣及優(yōu)化控制，實現(xiàn)低DO環(huán)境下同步硝化反硝化（SND），降低曝氣能耗的同時，也同步減少了對進水碳源和胞內(nèi)存儲碳源在好氧區(qū)的過度消耗，提升碳源利用效率同時有助于實現(xiàn)較高程度上的反硝化。低DO曝氣工藝既可以在完全混合氧化溝類池型實現(xiàn)，也可在推流式池型中采用。美國多座污水廠采用低DO模式運行，并有多年穩(wěn)定運行經(jīng)驗，如Seneca WRRF項目采用五段式Bardenpho工藝，采用基于氨氮的曝氣控制方式（ABAC），將曝氣池混合液DO由傳統(tǒng)DO控制水平2mg/L降低到0.3mg/L，混合液回流比從400%降低到200%，曝氣量減少了40%，在實現(xiàn)高效脫氮同時（出水TIN≤2mg/L），出水TP（≤0.2mg/L）得到很大改善，同時實現(xiàn)了取消投加化學(xué)藥劑，需要提示的是，低DO雖然可以有效改善反硝化并降低能耗，但是需要關(guān)注低DO引發(fā)的活性污泥沉淀性能變化可能對二沉池泥水分離性能的影響。
3.2.2 MABR
YEH 和 JENKINS等于 1978 年首次提出并構(gòu)建了MABR，用聚四氟乙烯纖維膜供氧處理人工合成污水取得很好的效果。Côté P等人1989 年提出無泡曝氣(Bubble free aeration)的概念，論證了MABR在氣體高效傳質(zhì)方面的優(yōu)勢。YAMIGAWA等在1994年證實MABR微生物膜的功能分層結(jié)構(gòu), 其研究結(jié)果表明, 硝化菌群主要聚集在靠近載體膜表面氧分壓高的附近, 而反硝化菌群主要聚集在生物膜與液相主體界面缺氧區(qū)域，這種特殊的分層結(jié)構(gòu)使MABR具有同時除碳脫氮的效果。MABR工藝主要有中空纖維和卷式膜兩種形式，主要技術(shù)優(yōu)勢是無泡曝氣帶來的低能耗；與此同時，MABR獨特的透氣膜曝氣-生物膜的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個氧氣與溶解性底物在生物膜厚度上的“逆向擴散”（counter-diffusional biofilm），這樣硝態(tài)氮與污水中碳源在最外層生物膜直接接觸，實現(xiàn)外層生物膜低碳源損耗的高效同步硝化反硝化(SND)脫氮（見圖6），MABR氧傳遞效率可以達到傳統(tǒng)微孔曝氣方式的4倍。
近些年來，復(fù)合式MABR反應(yīng)器（H-MABR）得到開發(fā)與應(yīng)用，如在MLE缺氧區(qū)嵌入MABR膜組件，形成“MABR-MLE”組合，復(fù)合式MABR反應(yīng)器由于存在附著態(tài)生物膜與懸浮態(tài)活性污泥，因此組合工藝兼具了生物除磷脫氮功能，更加適合場地受限情況下污水廠實現(xiàn)原位提標(biāo)擴容，在提升脫氮效率同時，還可以減少N2O排放。
加拿大Hespeler污水廠采用MABR工藝改善出水水質(zhì)，在原生物池缺氧段增設(shè)MABR模組，總池容并未增加的情況下，改造前后數(shù)據(jù)對比顯示，改造后有效低溫下污水廠的脫氮效率由40%~50%提升到75%~85%；在丹麥Ejby Mølle污水廠進行的試驗數(shù)據(jù)表明，MABR工藝平行對比該廠正在運行的傳統(tǒng)工藝，MABR在曝氣能耗上能降低74%。此外，MABR工藝實際運行過程數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示具有低碳排放特征，與傳統(tǒng)工藝平行對比研究顯示，H-MABR工藝轉(zhuǎn)換區(qū)動態(tài)優(yōu)化硝化反應(yīng)與反硝化時間后其N2O的排放只有A/O工藝的1/5。由此可見，無論是從GHG直接排放還是間接排放方面，MABR工藝無疑是具有顯著的綠色低碳特征，尤其是MABR與傳統(tǒng)活性污泥工藝結(jié)合同時優(yōu)化反應(yīng)區(qū)的曝氣過程控制，更能大幅削減碳排放。但是MABR目前大規(guī)模應(yīng)用案例仍較少，設(shè)計參數(shù)及運行控制經(jīng)驗有待進一步總結(jié)，尤其是缺氧段投加MABR模組后如何保證充分的混合液接觸并避免短流、生物膜厚度的優(yōu)化控制等，這對于高效脫氮都是非常關(guān)鍵的。
3.2.3 強化內(nèi)（碳）源反硝化工藝
傳統(tǒng)構(gòu)型活性污泥工藝如AAO，由于設(shè)計參數(shù)與實際情況（水量、水質(zhì)）可能出現(xiàn)的偏離、以及運行過程各工藝段固定池容的“物理剛性”約束，運行過程不能根據(jù)進水水質(zhì)特性進行實時調(diào)整各工藝段，大量的碳源被好氧過程過度消耗，導(dǎo)致進水用于反硝化過程的碳源利用率實則較低。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計構(gòu)型和運行過程控制有利于PHA在PAOs和GAOs中的積累，卻嚴重限制和削弱了DPAOs和DGAOs這類功能菌的PHA驅(qū)動型反硝化(PHA-Driven Denitrification)潛力，理想的反硝化過程設(shè)計應(yīng)考慮到不同生態(tài)和代謝特征微生物在胞內(nèi)碳源的形成和高效利用優(yōu)勢和差異，圖7顯示了低DO操作下PAH驅(qū)動脫氮工藝設(shè)計的概念框架。
優(yōu)化活性污泥工藝設(shè)計及運行過程DO控制，提升反應(yīng)器內(nèi)活性污泥厭氧或者缺氧組份占比進而提升內(nèi)源反硝化（Endogenous denitrification,ED）效率的改進工藝近些年得到重視和發(fā)展。如LI等人在AAO工藝基礎(chǔ)上改進工藝設(shè)計并增設(shè)后缺氧區(qū)，進水99.4%有機物在厭氧區(qū)被水解、吸收儲存轉(zhuǎn)換為PHAs，TN去除效率由58.9%提升到80.2%，PHAs驅(qū)動型ED過程貢獻了32.5%的TN去除率。
但是需要特別提出的是，國內(nèi)采用的AAO+AO工藝構(gòu)型，第二級缺氧區(qū)設(shè)計HRT往往偏短，有些項目只有2h，加之上游混合液攜帶較高濃度DO需要消耗掉，實際上第二級缺氧段這很難實現(xiàn)穩(wěn)定的反硝化過程，尤其是難以實現(xiàn)穩(wěn)定的ED過程。值得借鑒的案例是Durham (NDWRF)污水廠，第二級缺氧區(qū)為4h，研究顯示第二級缺氧段的 70%~90%硝酸鹽氮是通過ED過程去除的，只有其余小比例的硝酸鹽氮是通過外加商業(yè)碳源去除，因此延長第二級缺氧段的HRT對于維持和實現(xiàn)穩(wěn)定的ED過程是必要的，尤其是國內(nèi)低C/N污水。強化內(nèi)源反硝化過程的另一種實現(xiàn)方式是近幾年來頗受關(guān)注的國內(nèi)一些項目在采用的AOA工藝，其實AOA工藝是通過提升MLSS缺氧組份實現(xiàn)強化內(nèi)源反硝化過程，進而改善進水碳源不足情況下生化工藝脫氮效率；實際上類似的工藝如混合液在線發(fā)酵，也是強化活性污泥混合液通過缺氧過程強化污泥水解同時提升ED效率。
3.3 集約高效：微生物高致密高聚集態(tài)生化反應(yīng)器
3.3.1 活性污泥微生物不同聚集態(tài)
傳統(tǒng)活性污泥法受限于污泥絮體松散、沉淀性能差及污泥比重小等缺欠，進一步提升處理效率改善運行性能存在技術(shù)瓶頸。構(gòu)建高致密高聚集態(tài)生化反應(yīng)器、提升單位生化池池容內(nèi)持留活性微生物的數(shù)量和種群多樣性，提高活性微生物聚集體的密度并進一步改善污泥沉淀性能（見圖8），這是未來污水處理發(fā)展尤其是生化反應(yīng)器開發(fā)的重要發(fā)展趨勢，這樣反應(yīng)器將更加高效和集約、減少占地。
好氧顆粒污泥近些年來，在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用并快速推廣，荷蘭DHV公司的NEREDA®實現(xiàn)在22各國家和地區(qū)應(yīng)用，在建和運行項目超過百余座，近5年內(nèi)，中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AGS工藝也得到快速發(fā)展。但是，傳統(tǒng)AGS工藝采用間歇流，對反應(yīng)器“深/徑”比有要求，需要專用均勻布水配水、污泥篩分及篩選及撇除系統(tǒng)；此外，工藝條件及運行控制要求較高，顆粒污泥培育周期長達數(shù)月，尤其是國內(nèi)存量污水廠多采用連續(xù)推流式廊道式活性污泥工藝，采用AGS技術(shù)進行提標(biāo)改造或擴容，應(yīng)用受限。水質(zhì)特征也是影響國內(nèi)間歇流AGS推廣的主要因素之一，基于國內(nèi)獨特高ISS、低C/N比的水質(zhì)特征，顆粒污泥培育難度大，一般情況進水COD≥250mg/L和有機負荷率OLR滿足2.5~15 kg COD/(m3·d)才具備穩(wěn)定顆�；幕|(zhì)條件，OLR越高越有利于EPS形成并促進顆粒污泥的發(fā)育和成長。歐美實際運行比較穩(wěn)定的好氧污泥顆粒化項目，污泥顆粒粒徑≥200um占比一般達到50~80%，SVI5/SVI30≈1，從報導(dǎo)或公開的運行數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)自主開發(fā)的顆粒污泥工藝在污泥顆�；潭壬线�相對較低，因此，間歇流AGS在中國的適用性、大面積可復(fù)制性仍有待觀察、驗證和評估。
3.3.2連續(xù)流AGS & 致密活性污泥（DAS）工藝
基于間歇流AGS工藝的一些不足，近些年來，連續(xù)流污泥顆�；に嚰翱刂坪蛯崿F(xiàn)手段相關(guān)研究與應(yīng)用得到重視，尤其是近五年來，基于連續(xù)流工藝的致密活性污泥（Densified Activated Sludge, DAS）工藝在美國多個項目進行大規(guī)模生產(chǎn)性試驗研究并得到示范應(yīng)用，證明了連續(xù)流AGS & DAS技術(shù)的優(yōu)越性，尤其是與高級生化過程控制系統(tǒng)的結(jié)合。連續(xù)流AGS & DAS主要技術(shù)手段是采用生化動力學(xué)生物選擇器及水力選擇器組合形式，來篩選高密度重質(zhì)顆�；勰唷＞唧w而言，通過基于微生物生化代謝動力學(xué)的“快食-饑餓”（feast/famine）兩段式生化反應(yīng)條件控制，并采用在線（混合液線）或離線（污泥回流線）水力學(xué)分離器以篩選密度大、沉速快的顆粒污泥，輕質(zhì)污泥通過水力分離器上部溢流部件以剩余污泥形式撇除系統(tǒng)之外，加裝水力旋流器后的活性污泥生化系統(tǒng)，SVI可以顯著改善，提升二沉池的泥水分離效果，處理能力因而可以得到同步提升，DAS工藝原理示意見圖9。
美國Brown & Caldwell公司為位于科羅拉多州的James R. Dilorio 污水廠（JD WRF）提供集約化原位解決方案，該廠歷史上，寒冷季節(jié)持續(xù)嚴重污泥膨脹，SVI30曾一度達到400 mL/g，BC:Ntensify®方案是在原生化工藝增設(shè)inDENSE®水力旋流器，運行后兩周之內(nèi)SVI迅速改善，從160mL/g降低到85mL/g，穩(wěn)定運行后SVI5/SVI30在0.6~0.8，MLSS中粒徑≥200 μm占比平均達到57%，污泥顆�；卣鞒尚黠@；同時配合“AvN®”控制低DO運行，曝氣能耗降低50%同時提升了脫氮除磷效果。Hazen & Sawyer公司為美國多座污水廠提供了類似工藝改進與系統(tǒng)提升方案，位于美國佐治亞州格威納特縣的Crooked Creek污水廠采用生化動力學(xué)選擇器及水力旋流器組合，培養(yǎng)致密化活性污泥，SVI5/SVI30達到1.2，實現(xiàn)了快速顆粒化，處理能力提升了56%；丹佛Robert W Hite污水廠從2018年至2022年進行了連續(xù)流致密化活性污泥生產(chǎn)性對比試驗研究，采用代謝及動力學(xué)選擇、水力旋流選擇器（8×10m3/h）實現(xiàn)了粒徑＞250μm顆粒占比32%~56%，顆�；骴SVI30顯著改善，二級生化系統(tǒng)冬季可實現(xiàn)超負荷32%。
國內(nèi)在連續(xù)流致密顆粒污泥工藝開發(fā)與應(yīng)用上取得令人欣喜的突破，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍團隊報導(dǎo)了在河北省一污水廠進行了連續(xù)流好氧顆�；墓こ虒嵺`，該項目生化池創(chuàng)新性采用“微氧-好氧”兩段，好氧區(qū)上部安裝內(nèi)部顆粒分離器，通過前置微氧環(huán)境的高濃度基質(zhì)選擇壓、及好氧區(qū)內(nèi)部加裝三相分離器后形成的獨特水力剪切條件來篩選培育顆粒污泥，運行穩(wěn)定階段顆粒粒徑≥200μm顆粒污泥占比達28.9%。
3.4 韌性組合：強化脫氮除磷提升處理能力
近些年來，革新性工藝不斷涌現(xiàn)，這些工藝技術(shù)不斷升級與迭代又通過不同的工藝組合發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢，形成了更高度集約化的生化工藝，不同工藝多模式組合、不同生化過程多功能耦合，這種復(fù)合一方面嫁接污水處理不同技術(shù)發(fā)展階段的革新性技術(shù)成果，讓每一立方米的池容的高效集約利用都充滿了可能，協(xié)同賦予污水處理技術(shù)未來發(fā)展更多的空間和想象力；另一方面，不同組合工藝模擬和應(yīng)對了未來復(fù)雜的應(yīng)用場景和滿足多功能需求，如提升脫氮除磷效率、改善低水溫季節(jié)污泥沉淀性能或提升處理能力以應(yīng)對雨季峰值流量等。
美國伊利諾伊YBSD區(qū)Yorkville污水廠2017年對原活性污泥AAO工藝進行改造，在缺氧區(qū)安裝ZeeLung MABR組件改善營養(yǎng)鹽去除性能、并進一步提升有機負荷，這當(dāng)時是北美最大的MABR案例；2023年又在之前ZeeLung MABR基礎(chǔ)上引入水力旋流器形成“zeeDENSE®”（6×10m3/h）工藝來培養(yǎng)致密活性污泥顆粒，即形成“MABR+DAS”高度集約化工藝，實現(xiàn)原位大幅提升二級生化系統(tǒng)的處理能力，運行至2023年6月，旋流器底流粒徑≥200μm顆粒污泥占比達50%~60%，低能耗強化脫氮除磷同時，水力負荷提升30%~50%。
加拿大Penticton市污水廠改造前低水溫季節(jié)污泥沉淀性能惡化，SVI30可達200~250 mL/g，AECOM公司2022年采用“連續(xù)流AGS+ SND+S2EBPR”革新性組合工藝對該項目進行了性能提升的試驗研究，連續(xù)流AGS采用“inDENSE®”水力旋流分離器，inDENSE®底部出流的重質(zhì)顆粒污泥回流到厭氧段與70%的進水混合提升F/M比，同時生化池采用低DO曝氣（DO為0.3~0.5mg/L）耦合側(cè)流活性污泥發(fā)酵，運行穩(wěn)定后SVI5/SVI30平均維持在1.2，好氧顆粒污泥粒徑≥200 μm占比46%，即便在低水溫13℃情況下，SVI只有70~75ml/g，多元功能模塊的耦合，生化系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與韌性得到有效提升。
4 結(jié)語
與以往污水處理技術(shù)發(fā)展的任何一個歷史時期不同，近20~30年來，伴隨對營養(yǎng)鹽高效及深度去除的實際需求，革新性污水生化處理工藝加速發(fā)展與迭代，新現(xiàn)象、新機理、新的微生物及生化代謝途徑被不斷揭示和發(fā)現(xiàn)，新材料、新設(shè)備與新型傳感器、新型水動力學(xué)反應(yīng)器不斷被開發(fā)與集成應(yīng)用，上述這些要素又不斷被相互耦合與迭代，形成多種工藝技術(shù)組合發(fā)展矩陣，產(chǎn)生乘數(shù)效應(yīng)。工藝路線綠色低碳、反應(yīng)組合高效集約、工藝生境功能強化是未來污水處理技術(shù)發(fā)展基本方向。國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生化工藝在近十年來快速發(fā)展，結(jié)合中國獨特具體應(yīng)用場景與地域、水質(zhì)特征，將會在不久將來不斷呈現(xiàn)更加豐富、多元的污水處理新工藝、新技術(shù)，進而推動整個行業(yè)及產(chǎn)業(yè)升級。
